2020 Fiscal Year Annual Research Report
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19H02518
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| Research Institution | Kumamoto University |
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Principal Investigator |
芳田 嘉志 熊本大学, 大学院先端科学研究部(工), 助教 (40722426)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | スピン密度 / 三元触媒 / NO還元 / 電子スピン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
R2年度はNO還元触媒の候補物質をFe-Ni合金およびFe-Ni含有合金に限定し、NO-CO-C3H6-O2反応に高活性な合金ナノ粒子を形成する最適条件を決定した。Fe-Ni二成分系は任意の組成でfcc構造のFe-Ni合金ナノ粒子が形成された。各試料の平均粒子径はいずれもFe, Ni単一系に比べて小さく、複合化による金属分散度の向上が認められた。調製した種々の触媒の中でFe/Ni=1で調製したFe-Ni/Al2O3が最も優れたNO-CO-C3H6-O2反応活性を示し、さらに微量のCuを添加したFe-Ni-Cu系は水蒸気存在下の耐酸化性が向上した。
前年度までに低温NO還元に対して低酸化状態のFeが有効であることが明らかになったことから、種々の酸化鉄をモデル物質としてCO-NO反応活性を比較し、a-Fe2O3において可逆的なNO還元活性が認められた。より低酸化状態のFeOやFe3O4よりも高い触媒活性を示したことから、a-Fe2O3の最表面に存在するFeがNO還元反応を含む酸化還元挙動に対して有効な局所構造を有していることが示唆された。
第一原理計算によりFe-Ni(111)面上のNO吸着および還元過程のエネルギー障壁を検討した。fcc構造のFe-Niランダム合金のスラブモデルを作成し、最表面である(111)面から垂直方向に7Aを真空層とした。比較としてfcc構造のNiおよびbcc構造のFeのスラブモデルを作成した。次に最表面の各金属原子にNO分子が吸着した状態、また表面にNOが解離吸着した状態でそれぞれ構造安定化した。NEB法によりNO吸着、NO解離、N, Oの表面拡散に要するエネルギー障壁をそれぞれ算出して比較した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
三元触媒反応におけるNO還元に有効な触媒系の絞り込みに成功しており、触媒作用における各金属の役割が明確化された。また種々のキャラクタリゼーション結果と第一原理計算によって構築したスラブモデルが良く一致しており、実験と計算の両面から触媒作用に有効な原子配列、構造、および表面電子状態を検討できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
Fe-Ni合金を基軸とする材料設計指針に変更はないが、これまでの結果から多元化による構造安定性向上への寄与が認められていることから、引き続き最適構造の探索を行う。また本触媒において重要因子である表面酸素種の安定性（反応性）に関する知見が不足しているため、Ex-situ XPSによる表面酸素種の直接観察を試みるとともに計算科学においても酸素被覆を始状態とする計算を導入するなどしてより実用条件に近い計算方法を探索する。
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[Journal Article] Nanometric iridium overlayer catalysts for low-temperature NH3 oxidation with suppressed N2O formation2020
Author(s)
M. Machida, Y. Tokudome, A. Maeda, T. Koide, T. Hirakawa, T. Sato, M. Tsushida, H. Yoshida, J. Ohyama, K. Fujii, N. Ishikawa
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Journal Title
ACS Omega
Volume: 5
Pages: 32814-32822
DOI
Peer Reviewed
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